Wykład 1

Do ważnych osiągnięć technologicznych zaliczyć można:

- wykonanie napisu IBM za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego, używając do tego celu 35 atomów

- odkrycie fulerenów

- tworzenie studni, drutów i kropek kwantowych za pomocą wiązek molekularnych

- odkrycie i badanie właściwości nanorurek

Nanotechnologia jest interdyscyplinarną nauką łączącą dotychczasowe osiągnięcia chemii, mechaniki, biologii, fizyki i informatyki. Jednym z pierwszych i największych wizjonerów nanotechnologii określić można dr Richarda Feynmana.

W 2007 roku nanotechnolodzy z Technionu umieścili cały hebrajski tekst Starego Testamentu na obszarze 0,5 mm^2 na pokrytej złotem krzemowej płytce. Tekst został wyryty poprzez skierowanie na płytkę skupionego strumienia jonów galu.

Nanotechnologia oprócz biometryki, energetyki słonecznej i biotechnologii jest dziedziną rozwijającą się najszybciej.

To dzięki rewolucyjnym osiągnięciom nanotechnologii naukowcy prowadzą wyścig w projektowaniu i produkcji materiałów o właściwościach rodem z science fiction.

Nanotechnologia jest obecnie bardzo modnym i obiecującym działem nauki o materiałach, bardzo często jest też jednak „słowem-wytrychem”, przy pomocy którego próbuje się opisać niemal każde badania w dziedzinie technologii materiałowej.

Dzięki osiągnięciom nanotechnologii powstają:

- powłoki fotokalityczne samoczyszczące

- bakteriobójcze

- superhydrofilowe

- zabijające zapachy

- utwardzające

- ogniwa fotoelektrochemiczne na bazie nanocząsteczek np. TiO₂ (generują elektryczność)

Do struktur manometrycznych można zaliczyć:

- studnie, druty i kropki kwantowe

- tworzywa sztuczne – których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek.

- włókna sztuczne

- nanorurki – długie i puste w środku cząsteczki, oparte na węglu o hybrydyzacji sp²

- materiały rozdrobnione – wykorzystywane jest srebro, mające właściwości antykorozyjne

- elementy wykonywane elektronolitograficznie

- fulereny

Nanotechnologię uprawiają już od dawna wszystkie organizmy żywe. Wiele struktur występujących wewnątrz komórek to rodzaje mikromaszyn, struktur takich naturalnych materiałów, jak drewno, łodygi roślin, kości czy skóra to tworzywa, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Wśród pomysłów nanotechnologów znajdują miejsce takie jak:

1. Inteligentna mgła zastępująca pasy bezpieczeństwa w samochodzie. Składać się na nią ma mnóstwo małych nanorobotów z haczykami, które w razie niebezpieczeństwa na drodze chwytają się ze sobą haczykami tworząc gęstą substancję łagodzącą skutki kolizji.

2. Mechaniczny nanokomputer. Komputer oparty na prętach wielkości nanometrów, którym operacje i stany logiczne są uzyskiwane przez zmianę położeń tych prętów.

Nano – miliardowa część metra – 10^-9

Komputery DNA

Jednym z pomysłów są komputery operujące nie za pomocą elektronów, ale cząstek chemicznych. Taki komputer znajduje się w każdej komórce żywego organizmu, bo każda komórka zawiera kwas nukleinowy – DNA lub RNA. DNA jest przede wszystkim nośnikiem informacji. Informatycy badają możliwość wykorzystywania łańcuchów DNA do obliczeń (np. zespół pod kierownictwem Shapira)

Komputery DNA łączy z prawdziwymi tylko nazwa. Biokomputery nie trafią do domów, choć ze względu na swoją moc obliczeniową będą służyć do wyrafinowanych obliczeń naukowych. Nigdy nie da się z nich zrobić komputera osobistego ani laptopa. Nie będzie się ich podłączać do prądu, zasilane będą paliwem, z którego korzystają komórki. Nie będą miały klawiatury, myszki i monitora. Być może będą kiedyś sterować pracą nanorobotów.

Maszyna do robienia dowolnej rzeczy.

Skoro możemy zamieniać miejscem atomy i tworzyć nowe cząsteczki, to możemy kazać nanorobotom wykonać np. kawałek upieczonego steku wołowego, wystarczy dostarczyć odpowiednio dużo atomów odpowiednich pierwiastków.

- naukowcy w chwili obecnej pracują nad stworzeniem zestawu narzędzi w skali Nano.

- stworzono nanopincety o długości zaledwie kilku milionowych części milimetra, służących do odmierzania substancji o wadze bilionowych części grama.

- nanotechnologia jest również używana do produkcji i pakowania żywności. Zmiany dokonywane na poziomie molekularnym są dokonywane w celu uzyskania konkretnych smaków, kolorów, czy wartości odżywczych; a tzw. „inteligentne opakowania” (smart materials) pozwalają zachować świeżość produktów spożywczych przez dłuższy okres.

Brak dokładnych badań na temat wpływu nanocząsteczek na zdrowie konsumentów wywołał międzynarodową dyskusję i spowodował, że Parlament Europejski zdecydował się znowelizować rozporządzenie regulujące rynek nowej żywności.

Rozwój techniki zależy od :

- dostępnych materiałów

- struktury materiałów

- umiejętności jej kształtowaniu w procesach technologicznych

- wiedzy o tym, jak ona wpływa na właściwości materiałów.

Inżynierska działalność człowieka:

1. Pomysł – domena twórczości

2. Projekt – domena wiedzy

3. Produkt – domena technologii

Nanotechnologia na świecie:

1. Wielka Brytania – nanotechnologia została uznana za ważną dziedzinę i znalazła się w rządowym programie LINK, którego celem było wspomaganie ważnych nowych technologii. Nanotechnologia coraz powszechniej wkracza na takie pola, jak wytwarzanie precyzyjnych manipulatorów czy produkcja obwodów scalonych i zwierciadeł żyroskopów laserowych.

2. Niemcy – niemieccy naukowcy wychodzą z założenia, że nanocząsteczki stanowią fazę pośrednią pomiędzy podstawowymi elementami budowy materii – atomami i cząsteczkami – a ciałem stałym, w którym atomy i cząsteczki tworzą mniej lub bardziej uporządkowane struktury.

3. Japonia – rząd japoński przyznał priorytet rozwojowi technologii budowy mikrourządzeń. Program MITI obejmuje nie tylko masową produkcję litograficzną opartą na krzemie, ale również wiele innych metod obróbki małych elementów z metalu i tworzyw sztucznych za pomocą cięcia i szlifowania każdego pojedynczego elementu.

4. USA – program DARPA jest największym amerykańskim programem badań mikromechanicznych:

- światłoczuły czujnik przyspieszenia

- urządzenie wielkości zegarka ręcznego mierzące różne parametry, np. ciśnienie powietrza, jego temperaturę i wilgotność.

5. Polska – mimo niewielkich nakładów na naukę oraz badania laboratoryjne prowadzone są badania z zakresu ogólnie pojętej nanotechnologii. Są 3 główne ośrodki badań nad nanotechnologią (25 placówek):

a. Instytuty działające przy PAN

b. Politechnika Warszawska

c. Politechnika Wrocławska

Ośrodki, w których w mniejszym stopniu zajmują się tymi zagadnieniami to Politechnika Śląska i Politechnika Poznańska. We wszystkich tych ośrodkach prowadzi się badania nad następującymi zagadnieniami:

- wspomaganie technologii informacyjnych

- bioinżynieria (biotechnologie)

- nowe systemy (nanosystemy)

- nowe źródła energii (wykorzystywanie nanorurek)

- nowe materiały (smart materials)